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硬核!15张图解Redis为什么这么快
2020-11-21 18:29:42



作者|莱乌


作为一名服务端工程师,工作中你肯定和 Redis 打过交道。Redis 为什么快,这点想必你也知道,至少为了面试也做过准备。很多人知道 Redis 快仅仅因为它是基于内存实现的,对于其它原因倒是模棱两可。


那么今天就一起看看:


- 思维导图 -




基于内存实现


这点在一开始就提到过了,这里再简单说说。


Redis 是基于内存的数据库,那不可避免的就要与磁盘数据库做对比。对于磁盘数据库来说是需要将数据取到内存里的这个过程会受到磁盘 I/O 的限制。


而对于内存数据库来说,本身数据就存在于内存里,也就没有了这方面的开销。




高效的数据结构


Redis 中有多种数据类型,每种数据类型的底层都由一种或多种数据结构来支持。正是因为有了这些数据结构,Redis 在存储与读取上的速度才不受阻碍。这些数据结构有什么特别的地方,各位看官接着往下看:



1、简单动态字符串


这个名词可能你不熟悉,换成 SDS 肯定就知道了。这是用来处理字符串的。了解 C 语言的都知道,它是有处理字符串方法的。而 Redis 就是 C 语言实现的,那为什么还要重复造轮子?我们从以下几点来看:


(1)字符串长度处理



这个图是字符串在 C 语言中的存储方式,想要获取 「Redis」的长度,需要从头开始遍历,直到遇到 '\0' 为止。



Redis 中怎么操作呢?用一个 len 字段记录当前字符串的长度。想要获取长度只需要获取 len 字段即可。你看,差距不言自明。前者遍历的时间复杂度为 O(n),Redis 中 O(1) 就能拿到,速度明显提升。


(2)内存重新分配


C 语言中涉及到修改字符串的时候会重新分配内存。修改地越频繁,内存分配也就越频繁。而内存分配是会消耗性能的,那么性能下降在所难免。


而 Redis 中会涉及到字符串频繁的修改操作,这种内存分配方式显然就不适合了。于是 SDS 实现了两种优化策略:


  • 空间预分配


对 SDS 修改及空间扩充时,除了分配所必须的空间外,还会额外分配未使用的空间。


具体分配规则是这样的:SDS 修改后,len 长度小于 1M,那么将会额外分配与 len 相同长度的未使用空间。如果修改后长度大于 1M,那么将分配1M的使用空间。


  • 惰性空间释放


当然,有空间分配对应的就有空间释放。


SDS 缩短时,并不会回收多余的内存空间,而是使用 free 字段将多出来的空间记录下来。如果后续有变更操作,直接使用 free 中记录的空间,减少了内存的分配。


(3)二进制安全


你已经知道了 Redis 可以存储各种数据类型,那么二进制数据肯定也不例外。但二进制数据并不是规则的字符串格式,可能会包含一些特殊的字符,比如 '\0' 等。


前面我们提到过,C 中字符串遇到 '\0' 会结束,那 '\0' 之后的数据就读取不上了。但在 SDS 中,是根据 len 长度来判断字符串结束的。


看,二进制安全的问题就解决了。


2、双端链表


列表 List 更多是被当作队列或栈来使用的。队列和栈的特性一个先进先出,一个先进后出。双端链表很好的支持了这些特性。


- 双端链表 -

(1)前后节点



链表里每个节点都带有两个指针,prev 指向前节点,next 指向后节点。这样在时间复杂度为 O(1) 内就能获取到前后节点。


(2)头尾节点



你可能注意到了,头节点里有 head 和 tail 两个参数,分别指向头节点和尾节点。这样的设计能够对双端节点的处理时间复杂度降至 O(1) ,对于队列和栈来说再适合不过。同时链表迭代时从两端都可以进行。


(3)链表长度


头节点里同时还有一个参数 len,和上边提到的 SDS 里类似,这里是用来记录链表长度的。因此获取链表长度时不用再遍历整个链表,直接拿到 len 值就可以了,这个时间复杂度是 O(1)


你看,这些特性都降低了 List 使用时的时间开销。


3、压缩列表


双端链表我们已经熟悉了。不知道你有没有注意到一个问题:如果在一个链表节点中存储一个小数据,比如一个字节。那么对应的就要保存头节点,前后指针等额外的数据。


这样就浪费了空间,同时由于反复申请与释放也容易导致内存碎片化。这样内存的使用效率就太低了。


于是,压缩列表上场了!



它是经过特殊编码,专门为了提升内存使用效率设计的。所有的操作都是通过指针与解码出来的偏移量进行的。


并且压缩列表的内存是连续分配的,遍历的速度很快。


4、字典


Redis 作为 K-V 型数据库,所有的键值都是用字典来存储的。


日常学习中使用的字典你应该不会陌生,想查找某个词通过某个字就可以直接定位到,速度非常快。这里所说的字典原理上是一样的,通过某个 key 可以直接获取到对应的value。


字典又称为哈希表,这点没什么可说的。哈希表的特性大家都很清楚,能够在 O(1) 时间复杂度内取出和插入关联的值


5、跳跃表


作为 Redis 中特有的数据结构-跳跃表,其在链表的基础上增加了多级索引来提升查找效率。



这是跳跃表的简单原理图,每一层都有一条有序的链表,最底层的链表包含了所有的元素。这样跳跃表就可以支持在 O(logN) 的时间复杂度里查找到对应的节点。


下面这张是跳表真实的存储结构,和其它数据结构一样,都在头节点里记录了相应的信息,减少了一些不必要的系统开销。





合理的数据编码


对于每一种数据类型来说,底层的支持可能是多种数据结构,什么时候使用哪种数据结构,这就涉及到了编码转化的问题。


那我们就来看看,不同的数据类型是如何进行编码转化的:


String:存储数字的话,采用int类型的编码,如果是非数字的话,采用 raw 编码;


List:字符串长度及元素个数小于一定范围使用 ziplist 编码,任意条件不满足,则转化为 linkedlist 编码;


Hash:hash 对象保存的键值对内的键和值字符串长度小于一定值及键值对;


Set:保存元素为整数及元素个数小于一定范围使用 intset 编码,任意条件不满足,则使用 hashtable 编码;


Zset:zset 对象中保存的元素个数小于及成员长度小于一定值使用 ziplist 编码,任意条件不满足,则使用 skiplist 编码。




合适的线程模型


Redis 快的原因还有一个是因为使用了合适的线程模型:


1、I/O多路复用模型


  • I/O :网络 I/O

  • 多路:多个 TCP 连接

  • 复用:共用一个线程或进程


生产环境中的使用,通常是多个客户端连接 Redis,然后各自发送命令至 Redis 服务器,最后服务端处理这些请求返回结果。



应对大量的请求Redis 中使用 I/O 多路复用程序同时监听多个套接字,并将这些事件推送到一个队列里,然后逐个被执行。最终将结果返回给客户端。


2、避免上下文切换


你一定听说过,Redis 是单线程的。那么单线程的 Redis 为什么会快呢?


因为多线程在执行过程中需要进行 CPU 的上下文切换,这个操作比较耗时。Redis 又是基于内存实现的,对于内存来说,没有上下文切换效率就是最高的。多次读写都在一个CPU 上,对于内存来说就是最佳方案。


3、单线程模型


顺便提一下,为什么 Redis 是单线程的


Redis 中使用了 Reactor 单线程模型,你可能对它并不熟悉。没关系,只需要大概了解一下即可。



这张图里,接收到用户的请求后,全部推送到一个队列里,然后交给文件事件分派器,而它是单线程的工作方式。Redis 又是基于它工作的,所以说 Redis 是单线程的。




总结


基于内存实现

  • 数据都存储在内存里,减少了一些不必要的 I/O 操作,操作速率很快。


高效的数据结构

  • 底层多种数据结构支持不同的数据类型,支持 Redis 存储不同的数据;

  • 不同数据结构的设计,使得数据存储时间复杂度降到最低。

   

合理的数据编码

  • 根据字符串的长度及元素的个数适配不同的编码格式。


合适的线程模型

  • I/O 多路复用模型同时监听客户端连接;

  • 单线程在执行过程中不需要进行上下文切换,减少了耗时。




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